Integrales de línea y Teoría de Cauchy

Pedro Tamaroff

1. Notación y convenciones

“The Committee which was set up in Rome for the unification of vector nota-

tion did not have the slightest success, which was only to have been expected.”

Felix Klein, 1908.

En lo que sigue I = [a,b] es un intervalo compacto en R y Ω denota

una región en C. Todo camino en Ω es suave a trozos, salvo mención de

lo contrario. Escribimos PS(Ω) al conjunto de tales caminos.

Fijemos un camino γ : I −→Ω. La traza de γ es γ(I) y la notaremos

también γ. El punto inicial de γ es γ(a) y el punto final de γ es γ(b),

y los notamos s(γ) y t(γ), respectivamente. Decimos que γ es un lazo si

s(γ) = t(γ). Si δ : I −→Ω es otro camino, decimos que γ y δ son concate-nables si t(γ)= s(δ), y escribimos γ∗δ al camino I −→C tal que

(γ∗δ)(t)=γ(2t−a) si 2t−a ∈ I

δ(2t−b) si 2t−b ∈ I

Está claro que en este caso γ∗δ es también un camino suave a tro-

zos, y es precisamente para permitir la concatenación de caminos que

ampliamos la clase de caminos suaves a la de caminos suaves a trozos:

todo camino suave a trozos es, de forma no necesariamente única, la con-

catenación de caminos suaves.

Sean z,w ∈ C. Notaremos por [z,w] al camino recto que une z con w,

parametrizado por t ∈ [0,1] 7−→ z(1−t)+tw y por ∂Br(z) al círculo de radio

r y centro z, parametrizado por t ∈ [0,2π] 7−→ z+ reit. El camino cons-tante en z está parametrizado por t ∈ [0,1] 7−→ z y lo notamos cz. Los

bordes de figuras como discos y rectángulos siempre estarán orientados

en sentido antihorario.

Dado un subconjunto Ω de C y un intervalo I en R, escribimos C (Ω)

al conjunto de las funciones continuas en Ω y C (I) al conjunto de las

funciones continuas en I, respectivamente, y escribimos O (Ω) al conjunto

de funciones holomorfas en Ω.

2

2. Integrales en intervalos

Fijemos una función continua f : I −→C. Definimos la integral de fsobre I por ∫

If dt =

∫Iℜ f dt+ i

∫Iℑ f dt

donde las integrales a la derecha denotan integrales de funciones reales,

bien definidas por ser ℜ f e ℑ f continuas. Por su definición, la integral

de f disfruta de propiedades análogas a las que valen para integrales

reales usuales.

Proposición 2.1. Valen las siguientes propiedades para la función∫I

: C (I)−→C.

(1) C-linealidad. Si g : I −→ C es otra función continua y si λ ∈ C, en-tonces ∫

I( f +λg)dt =

∫I

f dt+λ∫

Ig dt.

(2) Aditividad en intervalos. Si subdividimos a I en dos subintervalosI1 e I2, entonces ∫

If dt =

∫I1

f dt+∫

I2

f dt.

(3) Compatibilidad.

ℜ(∫

If dt

)=

∫Iℜ f dt, ℑ

(∫I

f dt)=

∫Iℑ f dt.

(4) Continuidad. Vale la estimación∣∣∣∣∫I

f dt∣∣∣∣É ∫

I| f |dt.

Demostración. Dado que las primeras dos propiedades se demuestran

exactamente como en el caso real y que la tercera es una verificación

inmediata, sólo probamos la validez de la última. Tomemos ϕ ∈ [0,2π]

3

tal que eiϕ ∫I f dt ∈R. Entonces∣∣∣∣∫

If dt

∣∣∣∣= ∣∣∣∣eiϕ∫

If dt

∣∣∣∣=

∣∣∣∣∫Iℜ(eiϕ f )dt

∣∣∣∣ por compatibilidad,

É∫

I|ℜ(eiϕ f )|dt por la estimación en el caso real,

É∫

I| f |dt por ser |ℜ( f )| É | f |.

Esto completa la demostración. Î

Decimos que f es derivable si lo son su parte real y su parte imagi-

naria y, en tal caso, definimos f ′ = (ℜ f )′+ i(ℑ f )′. Una función derivable

F : I −→ C es una primitiva de f si F ′ = f . La siguiente proposición es

simplemente una reformulación del teorema fundamental de cálculo en

nuestro contexto, por lo que omitimos su demostración.

Proposición 2.2. La función F : I −→C tal que F(t)= ∫ ta f dt es derivable

y es una primitiva de f y, si G es cualquier primitiva de f , entonces∫I

f dt =G(b)−G(a).

Un corolario inmediato de lo anterior es el siguiente, que usaremos

con frecuencia en las próximas secciones.

Corolario 2.3. Dos primitivas de f : I −→C difieren en una constante.

3. Integrales de línea

Fijemos ahora una funcion continua f : Ω −→ C. Si γ es un camino

suave en Ω, entonces γ′ : I −→C es continua y la función ( f γ)γ′ : I −→C

es, a su vez, también continua. Definimos la integral de f a lo largode γ por ∫

γf dz =

∫I( f γ)γ′ dt.

4

Si γ es una concatenación γ1 ∗γ2 de caminos suaves γ1,γ2 : I −→ C,

definimos ∫γ

f dz =∫γ1

f dz+∫γ2

f dz.

Inductivamente, queda definida la integral de f sobre un camino arbitra-

rio. De lo ya demostrado deducimos algunas propiedades análogas para

integrales de línea.

Proposición 3.1. Fijemos un camino γ en Ω. Valen las siguientes pro-piedades para la función ∫

γ: C (Ω)−→C.

(1) C-linealidad. Si g :Ω −→ C es otra función continua y si λ ∈ C, en-tonces ∫

γ( f +λg)dz =

∫γ

f dz+λ∫γ

g dz.

(2) Aditividad. Si subdividimos a γ en dos caminos concatenables γ1 yγ2, entonces ∫

γf dt =

∫γ1

f dt+∫γ2

f dt.

Por conveniencia, extendemos la definición de la integral de línea

para contemplar operaciones usuales sobre γ: definimos∫γ

f dz =∫

I( f γ)γ′ dt,

∫γ

f |dz| =∫

I( f γ)|γ′|dt.

Notemos que en particular∫γ |dz| = ∫

I |γ′|dt es la longitud de la curva

γ, que notamos L(γ). No es difícil verificar ahora las siguientes propie-

dades usando la Proposición 2.1 en el segundo caso.

1.∫γ f dz = ∫

γ f dz

2.∣∣∣∫γ f dz

∣∣∣É ∫γ | f ||dz|.

De la segunda propiedad deducimos el siguiente resultado, que será

central en mucho de lo que sigue.

5

Lema 3.2. (Estimación estándar.) Para todo camino γ ∈ PS(Ω), vale laestimación ∣∣∣∣∫

γf dz

∣∣∣∣É L(γ)| f |γ.

donde | f |γ =maxt∈I

| f (γ(t)| es el máximo de f sobre γ.

Queda como ejercicio demostrar que la integral de línea es indepen-

diente de la parametrización elegida de un camino, por lo que siempre

eligiremos arbitrariamente la parametrización de un camino que nos re-

sulte más conveniente.

Dado un camino γ : I −→C, definimos γ∗ como el camino que tiene la

misma traza que γ pero recorrida en el sentido inverso: γ∗(t)= γ(b+a−t)para t ∈ I. Llamamos a γ∗ el camino inverso a γ. Es fácil verificar que,

con esta definición, ∫γ∗

f dz+∫γ

f dz = 0.

Tendremos la oportunidad de usar lo anterior cuando integremos so-

bre dos curvas que se solapan sobre algun segmento y sobre el que tienen

orientaciones inversas. Lo anterior afirma que la contribución de este

segmento a la integral es nula.

Si f es continua en Ω, una primitiva de f en Ω es una función F,

holomorfa enΩ, tal que F ′ = f . En este caso decimos que f es integrableenΩ. Como sucedió en el caso de integrales sobre intervalos, tenemos un

análogo al teorema fundamental del cálculo, que es simplemente una re-

formulación del mismo en nuestro contexto. La existencia de primitivas

ahora no está garantizada, como veremos más adelante.

Proposición 3.3. Una función F :Ω−→C es una primitiva de f en Ω siy solamente si ∫

γf dz = F(t(γ))−F(s(γ))

para todo camino γ en Ω.

Demostración. Podemos asumir que γ es suave por la aditividad de la

integral. En este caso, si F ′ = f , entonces la regla de la cadena garantiza

que ( f γ)γ′ = (F γ)′ y, por el teorema fundamental del cálculo,

6

∫γ

f dz =∫

I(F γ)′(t)dt = F(γ(b))−F(γ(a)),

como afirma la proposición.

Supongamos ahora que vale la condición sobre caminos para F y fije-

mos w ∈Ω. Podemos tomar un disco B con centro w contenido en Ω y, si

z está en tal disco,

F(w)−F(z)= f (w)(z−w)+∫

[w,z]( f (ξ)− f (w))dξ.

que podemos reescribir, si definimos F1(z)= 1z−w

∫[w,z]

( f (ξ)− f (w))dξ si

z 6= w y F1(w)= 0, como

F(w)−F(z)= f (w)(z−w)+F1(z)(z−w).

Queda ver que F1 es continua en w. Usando la estimación estándar, re-

sulta que

|F1(z)| É 1|z−w|L([z,w])| f − f (w)|[z,w] = | f − f (w)|[z,w],

pues L([z,w])= |z−w|. Finalmente, como f es continua en w, obtenemos

que lımz→w

F(z)= 0, como queríamos. Î

De lo anterior deducimos una parte del siguiente teorema:

Teorema 3.4. La función f admite una primitiva en Ω si y solamente sipara todo lazo γ en Ω, ∫

γf dz = 0.

Demostración. La proposición anterior implica que si F es una primitiva

de f y γ es un lazo en Ω,∫γ

f dz = F(t(γ))−F(s(γ))= 0,

que prueba una de las implicaciones. Supongamos que vale la condición

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sobre caminos cerrados para f , y eligamos un punto c ∈Ω y, para todo

z ∈Ω, elijamos un camino γz que une c con z. Definimos

F(z)=∫γz

f (ξ)dξ.

Para ver que F es una primitiva de f , basta ver que si γ es un camino en

Ω que une z con w, vale la igualdad

F(z)−F(w)=∫γ

f (ξ)dξ,

y esto es inmediato, pues podemos reescribirla como∫γz∗γ∗∗γ∗w

f (ξ)dξ= 0,

y γz ∗γ∗∗γ∗w es un lazo. Î

El siguiente resultado afirma que podemos intercambiar integrales

con límites uniformes de funciones.

Lema 3.5. Supongamos que ( fν) es una sucesion en C (Ω) y converge deforma localmente uniforme a f ∈C (Ω). Para todo camino γ en Ω,

lımν→∞

∫γ

fνdz =∫γ

f dz.

Demostración. Para cada punto c de γ existe un disco abierto Bc donde

fν −→ f uniformemente, y los discos Bc con c ∈ γ cubren a γ. Como γ es

compacta, finitos discos B1, . . . ,Bs la cubren, y luego fν −→ f uniforme-

mente en γ. Pero, por la estimación estándar,∣∣∣∣∫γ( f − fν)dz

∣∣∣∣É | f − fν|γL(γ)

y, como | f − fν|γ→ 0 en vista de la convergencia uniforme, lo mismo vale

para el término izquierdo, como queríamos. Î

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4. Teoría de Cauchy en discos

I. La fórmula integral de Cauchy

Nos proponemos ahora probar el siguiente resultado, conocido como

la fórmula integral de Cauchy, del que podremos deducir una batería

de herramientas teóricas muy útiles.

Teorema 4.1. Si f :Ω−→C es holomorfa y si B es un disco cuya clausuraestá contenida en Ω, entonces

f (z)= 12πi

∫∂B

f (ξ)ξ− z

dξ

para todo punto z ∈ B. En particular, si c es el centro de B y r su radio,

f (c)= 12π

∫ 2π

0f (c+ reit)dt.

Para demostrarlo, nos valdremos de algunos resultados prelimina-

res. Uno se deduce del cálculo, quizás no tan simple, de una familia de

integrales, centrales a la teoría de Cauchy.

Lema 4.2. Sea B un disco y ν ∈N. Entonces

12πi

∫∂B

dξ(ξ− z)ν

=1 si ν= 1 y z ∈ B,

0 en caso contrario.

Demostración. En caso que ν> 1 la función hν(ξ)= (ξ−z)−ν admite como

primitiva a Hν(ξ)= (1−ν)−1(ξ− z)1−ν, por lo que el Teorema 3.4 da lo que

queremos. Supongamos entonces que ν= 1. Si z no está en B, entonces h1

admite como primitiva a log(ξ−z) en CàL, donde L es una semirrecta con

origen en z que no corta a B. Nuevamente, concluímos lo que queremos

con el Teorema 3.4.

Basta considerar el caso que z ∈ B. Supongamos primero que z es el

centro c de B y que r es su radio. Entonces γ(t) = c+ reit con t ∈ [0,2π]

9

parametriza a ∂B y calculamos∫∂B

dξξ− c

= 12πi

∫ 2π

0

1reit rieitdt = 1

2πi

∫ 2π

0idt = 1.

Supongamos ahora que z 6= c. Escribimos

h1(ξ)= 1ξ− z

= 1ξ− c

1

1− z− cξ− c

= 1ξ− c

∑νÊ0

(z− cξ− c

)ν.

Esta expansión en serie es válida en el conjunto de los ξ con |ξ−c| > |z−c|,que no es otra cosa que el complemento de un disco con centro en c y ra-

dio |z− c|, es decir, un anillo no acotado de centro c, que en particular

contiene al disco B. Además, la convergencia es normal y luego unifor-

me en cualquier conjunto de la forma At(c) = CàB(c, t) con t > |z− c|, y

podemos elegir tal anillo no acotado At(c) para que contenga el borde de

B. Por el Lema 3.5, basta con evaluar las integrales

Iν =∫∂B

1ξ− c

(z− cξ− c

)νdξ.

Pero esto ya lo hicimos: sabemos que Iν = 0 si ν > 0, mientras que si

ν= 0, obtenemos

I0 =∫∂B

1ξ− c

dξ= 2πi.

Esto completa la demostración. Î

Ejercicio 4.1. Usando lo anterior, probar que f (z) = z−1 no admite una

primitiva en ninguna región de C× que contiene un círculo con el origen

en su interior.

El siguiente resultado, conocido como el teorema de Goursat, es la

piedra angular de la teoría de Cauchy.

Teorema 4.3. Sea c ∈ Ω y sea f holomorfa en Ωà c y continua en c.Entonces para todo rectángulo R en Ω,∫

∂Rf dz = 0.

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Demostración. Supongamos primero que f es holomorfa en todo Ω y fi-

jemos un rectángulo R en Ω. Por comodidad, notamos a(R) = ∫∂R f dz.

Descompongamos a R en cuatro rectángulos congruentes R1, . . . ,R4, co-

mo ilustra la Figura 1. Los segmentos internos a R se cancelan unos con

otros, y a(R)=4∑

i=1a(Ri), así resulta que

|a(R)| É4∑

i=1|a(Ri)|,

y debe ser el caso que |a(R1)| Ê 4−1|a(R)| para R1 alguno de los rectán-

gulos R1, . . . ,R4. Si es el caso que esta desigualdad vale para todos, acor-

damos elegir el de la esquina inferior izquierda.

Repetimos ahora el argumento para R1, obteniendo R2 ⊆ R1 que

cumple |a(R2)| Ê 4−1|a(R1)|. Inductivamente, construímos una familia

decreciente de rectángulos R = R j : j ∈N tal que para todo j ∈N,

|a(R j)| Ê 4− j|a(R)|,

L(∂R j)= 2− jL(∂R).⋂jÊ1

R j contiene exactamente un punto z0.

La función f es holomorfa en z0, y luego existe una función f1, continua

en z0, tal que f1(z0)= 0 y

f (z)= f (z0)+ f ′(z0)(z− z0)+ f1(z)(z− z0).

R1 R2

R3R4

Figura 1: El primer paso de la subdivisión de R en la demostración.

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Dado ε > 0, tomemos δ > 0 tal que |z− z0| < ε implica | f1(z)| < ε, y to-

memos j À 0 tal que R j está contenido en B(z0,δ): esto es posible por

la forma en que construímos la familia R. Como el polinomio lineal

f (z0)+ f ′(z0)(z− z0) admite una primitiva, su integral sobre el lazo ∂R j

se anula, y luego

a(R j)=∫∂R j

f1(z)(z− z0)dz.

Además, la estimación estándar asegura que

|a(R j)| É εL(∂R j)max∂R j

|z− z0|

pues | f1|∂R j < ε. Como la diagonal mayor de R j no supera su perímetro,

obtenemos que |a(R j)| É εL(∂R j)2.

Reemplazando esto último en la desigualdad |a(R j)| Ê 4− j|a(R)| y

usando la igualdad L(∂R j)= 2− jL(R) obtenemos que

a(R)É 4 j4− jL(R)2ε= L(R)2ε

y, en vista de que ε> 0 es arbitrario, que a(R)= 0, como se dijo.

El caso que f es holomorfa salvo posiblemente en c es ahora fácil.

Dado un rectángulo R en Ω podemos asumir, primero, que el punto ex-

cepcional c está en R, y segundo, que es de hecho un vértice de R: si

no es el caso, la siguiente figura muestra como expresar a(R) como una

suma de cuatro términos a(R1), . . . ,a(R4) donde R i es un rectángulo con

un vértice en c, y será suficiente ver que cada una de éstas integrales se

anulan.

Ahora simplemente podemos escribir a(R) = a(R′) donde R′ es un

subrectángulo arbitrario de R con vértice en c, usando lo anterior y, dado

que |a(R)| É L(∂R)| f |∂R y que | f |∂R está acotada y L(∂R) → 0 si R se

aproxima a c, deducimos lo pedido, que completa la demostración del

teorema. Î

Notemos que la misma demostración funciona si cambiamos rectán-

gulos por triángulos. Usaremos esto en lo que sigue.

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c

Figura 2: La reducción al caso que c es un vértice de R.

Diremos que Ω tiene centro estelar c si para todo z ∈Ω el segmento

[c, z] está contenido en Ω. En ese caso, diremos que Ω es un conjuntoestelar con centro c. Vale notar que un conjunto estelar puede admitir

más de un centro: por ejemplo, un conjunto convexo C es precisamente

aquel que es estelar con centro c para todo c ∈ C.

Teorema 4.4. (Teorema integral para regiones estelares.) Sea Ω estelarcon centro c, y sea f holomorfa en Ω. Entonces f en integrable en Ω y lafunción F :Ω−→C definida por

F(z)=∫

[c,z]f (ξ)dξ

es una primitiva de f . En particular,∫γ f dz = 0 para todo camino cerrado

en Ω.

Demostración. Basta observar que si z y w son dos puntos en Ω, el teo-

rema de Goursat asegura que

F(z)−F(w)=∫

[w,z]f (ξ)dξ.

pues la integral de f sobre el triángulo con vértices z,w y c es nula.

Podemos imitar ahora la demostración del Teorema 3.4 para probar que

F ′ = f . Î

El teorema anterior implica que toda función holomorfa admite una

primitiva localmente: si f es holomorfa en Ω y z es un punto de esta

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región, entonces f tiene integral nula sobre cualquier triángulo conteni-

do en un disco convexo B con centro z y contenido en Ω, y luego por el

teorema anterior admite allí una primitiva. Podemos dar ahora la

Demostración del Teorema de Cauchy. Tomemos z ∈ B, un disco B′ en Ω

que contiene a B, y consideremos la función g :Ω−→C dada por

g(ξ)= f (ξ)− f (z)ξ− z

para ξ ∈Ω.

Evidentemente g es holomorfa enΩàz y continua en z. Por el teore-

ma de Goursat en su versión para triángulos, g tiene integral nula sobre

cualquier triángulo, y luego, por el Teorema 4.4, g admite una primitiva

en el conjunto convexo B′, y luego su integral sobre cualquier lazo en B′

es nula. En particular,

0= 12πi

∫∂B

g(ξ)dξ

= 12πi

∫∂B

f (ξ)ξ− z

dξ− f (z)1

2πi

∫∂B

dξξ− z

= 12πi

∫∂B

f (ξ)ξ− z

dξ− f (z),

dónde última integral la calculamos en el Lema 4.2. Si elegimos z = c el

centro de B, entonces

f (c)= 12πi

∫ 2π

0

f (c+ reit)reit rieitdt = 1

2π

∫ 2π

0f (c+ reit)dt.

Esto completa la demostración del teorema. Î

La última igualdad que obtuvimos se conoce como la igualdad delvalor medio para funciones holomorfas, y afirma que el valor de f (c)

queda determinado por los valores de f en cualquier disco de centro cy radio suficientemente pequeño. En particular, deducimos la desigual-dad del valor medio: si f es holomorfa en un entorno de c y B es un

disco suficientemente pequeño con centro c, entonces | f (c)| É | f |∂B.

14

Veamos una aplicación del Teorema 4.4 al cálculo de una integral.

Proposición 4.5. Fijemos 0< a É 1. Entonces

∫ ∞

0e−(1+ai)2t2

dt =pπ

21

1+ai

Demostración. Sea r > 0 y sea Tr un triángulo con vértices en 0, r(1+ai)y r, orientado positivamente. Integrando a la función entera f (z) = e−z2

sobre Tr, que es un lazo en el conjunto convexo C, obtenemos la igualdad∫[0,r]

f dz =∫

[0,r(1+ia)]f dz+

∫[r,r(1+ai)]

f dz.

Las primeras dos integrales coinciden con∫ r

0e−t2

dt y (1+ai)∫ r

0e−(t(1+ai))2 dt

respectivamente. Veamos que sucede con la última integral, que es igual

a

I(r)= i∫ ar

0f (r+ it)dt.

Ahora, tenemos la estimación | f (r+ it)| = e−r2+t2 É e−r2ert si 0 É t É r y,

como ar É r, a su vez podemos estimar nuestra integral como sigue:

|I(r)| É∫ ar

0e−r2

ert dt É e−r2∫ r

0ert dt.

Finalmente, sabemos que∫ r

0ert dt = r−1(er2 −1), así |I(r)| É r−1, y esto

tiende a cero cuando r →∞. Deducimos que, en el límite,∫ ∞

0e−t2

dt = (1+ai)∫ ∞

0e−(t(1+ai))2 dt,

que completa la demostración si usamos que∫ ∞

0e−t2

dt =pπ

2. Î

15

II. Desarrollo en series de potencias

Usando la fórmula integral de Cauchy podemos probar que toda fun-

ción holomorfa en Ω admite un desarrollo en serie de potencias en torno

a cada punto de esta región. Una función con esta propiedad se dice ana-lítica en Ω. Recordemos que toda función analítica es holomorfa.

Lema 4.6. Sea γ una curva en Ω y sea f continua en Ω, y definamos otrafunción F :Ωàγ−→C por

F(z)=∫γ

f (ξ)ξ− z

dξ para z ∈Ωàγ.

Entonces:

(1) F es holomorfa en Ωàγ.

(2) Para cada punto c en tal dominio la serie de potencias

∑νÊ0

aν(z− c)ν con coeficientes aν = 12πi

∫γ

f (ξ)(ξ− c)ν+1 dξ

converge en todo disco centrado en c que no corta a γ y converge, dehecho, a F.

(3) F es infinitamente derivable y, para cada natural ν y cada z ∈Càγ,

F (ν)(z)ν!

= 12πi

∫γ

f (ξ)(ξ− z)ν+1 dξ.

En la demostración que sigue omitimos algunos cálculos intermedios

y cuando lo hacemos lo marcamos con una estrella (?). Si duda de algu-

nas de tales igualdades, está obligado a verificarlas en detalle.

Demostración. Fijamos un disco B con centro c y radio r que no corta a

γ. Si |w| < 1, diferenciando la serie geométrica, obtenemos la igualdad

1(1−w)ν+1 = ∑

jÊν

(ν

j

)w j−ν (1)

16

que, con el cambio de variable w = (z− c)(ξ− c)−1, da la igualdad

1(ξ− z)ν+1

?= ∑jÊν

(ν

j

)1

(ξ− c)ν+1 (z− c) j−ν.

válida para cada z ∈ B y ξ ∈ γ.

Para cada j ∈ N, pongamos f j(ξ) = f (ξ)(ξ− c)− j−1 donde ξ está en γ.

Por lo anterior, deducimos que si z ∈ B,

ν!2πi

∫γ

f (ξ)(ξ− z)ν+1 dξ ?= 1

2πi

∫γ

∑jÊν

ν!

(ν

j

)f j(ξ)(z− c) j−νdξ. (2)

Como |ξ− c| Ê r para ξ en γ, la definición de fν asegura que | fν|γ Ér−ν−1| f |γ y, a su vez, esto asegura que, si q = r−1|z− c|,

|gν|γ|(z− c)ν− j| ?É r−ν−1| f |γ|qν− j.

Como 0 É q < 1 para nuestra elección de z y como la serie de (1) conver-

ge para w = q, deducimos que la serie en (2) converge normalmente y

luego, por el Teorema 3.5, podemos intercambiar la suma y la integral,

obteniendoν!

2πi

∫γ

f (ξ)(ξ− z)ν+1 dξ ?= ∑

jÊνν!

(ν

j

)aν(z− c) j−ν. (3)

Para concluir, notamos que si ν = 0 esto da el desarrollo en series

buscado y prueba que F es holomorfa y que, además, el término derecho

de (3) es el que se obtiene al derivar ν veces el desarrollo en series de

potencias de F recién obtenido, que da la tercera afirmación del lema. Î

En vista del teorema integral de Cauchy y este lema, obtenemos el

siguiente resultado.

Teorema 4.7. Toda función f holomorfa en Ω admite un desarrollo enserie de potencias en torno a cada punto c ∈Ω

∑νÊ0

aν(z− c)ν con coeficientes aν = 12πi

∫γ

f (ξ)(ξ− c)ν+1 dξ

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que converge compactamente en B(c, r) donde r es menor a la distanciade c al borde de Ω. En particular, f es derivable infinitamente y paracada ν ∈N vale la fórmula integral

f (ν)(z)ν!

= 12πi

∫γ

f (ξ)(ξ− z)ν+1 dξ.

Una consecuencia notable de este resultado es que la serie de Taylor

de una función entera en torno a cualquier punto converge en todo C.

Todo lo hecho hasta ahora prueba el siguiente teorema.

Teorema 4.8. Sea f ∈C (Ω). Son equivalentes

(1) f es holomorfa en Ω,

(2) f es analítica en Ω,

(3) f es localmente integrable en Ω,

(4) f tiene integral nula sobre cualquier triángulo en Ω,

(5) f cumple la fórmula integral de Cauchy para todo disco con clau-sura contenida en Ω.

Demostración. En efecto, tenemos el siguiente diagrama de implicacio-

nes

Cauchy

Analítica Holomorfa

Goursat

Localmente

integrable

que sabemos valen, salvo posiblemente aquella punteada. Sin embargo,

una función localmente integrable es localmente la derivada de una fun-

ción holomorfa, y ya sabemos que la derivada de una función holomorfa

es ella misma holomorfa. Deducimos así que todas las afirmaciones son

equivalentes. Î

18

Con el teorema anterior podemos probar que O (Ω) ⊆ C (Ω) es un

subespacio cerrado respecto a la convergencia local uniforme.

Proposición 4.9. El límite localmente uniforme de funciones holomorfases también una función holomorfa.

Demostración. Sea ( fν) una sucesión en O (Ω) y supongamos que con-

verge de forma localmente uniforme a f . Entonces f ∈ C (Ω) y, por el

Lema 3.5, para todo triángulo T en Ω,∫∂T

f dz = lımν→∞

∫∂T

fνdz = 0,

en vista de que cada fν es holomorfa y el teorema de Goursat. Luego ftiene integral nula sobre todo triángulo contenido en Ω, y es holomorfa

por el teorema anterior. Î

Con un poco más de trabajo, podemos probar el siguiente resultado.

Proposición 4.10. Con las hipótesis y la notación de la proposición an-terior, el limite de derivadas ( f ′ν) converge de forma localmente uniformea f ′ en Ω.

Demostración. Por la fórmula de Cauchy, si B es un disco con clausura

contenida en Ω y si z ∈ B,

f ′ν(z)− f ′(z)= 12πi

∫∂B

fν(ξ)− f (ξ)(ξ− z)2 dξ.

Si tomamos un disco B′ con clausura contenida en B, existe r > 0 tal que

|z−ξ| Ê r para ξ ∈ ∂B y z ∈ B′, y luego la estimación estándar asegura que

| f ′ν− f ′|B′ É Rr−2| fν− f |∂B,

donde R es el radio de B. Como fν −→ f uniformemente en el compacto

∂B, obtenemos lo que queríamos. Î

19

5. Primitivas e invarianza homotópica

I. Primitivas a lo largo de funciones

Hasta ahora definimos la integral de una función continua sobre un

camino en el caso que éste sea suave a trozos. Una forma indirecta de ex-

tender la definición a caminos que son solamente continuos es mediante

la noción de primitiva a lo largo de un camino, que presentamos aho-

ra. Veremos también una segunda forma de hacer ésta extensión cuando

presentemos la noción de homotopía entre caminos.

Fijemos un camino continuo γ : I −→Ω y una función holomorfa f en

Ω. Una primitiva de f a lo largo de Ω es una función F : I −→Ω que

cumple la siguiente condición: para cada t ∈ I existe un entorno abierto

U de γ(t) y una primitiva G de f en U tal que F γ=G en un entorno de

t.

Proposición 5.1. La función f admite primitivas a lo largo de γ y dosde ellas difieren en una constante.

Demostración. Como dos primitivas de f difieren de una constante, lo

mismo será cierto para primitivas de f a lo largo de curvas. Para ver

que tales primitivas existen, notemos que existe, para cada punto z de

γ, un disco Bz y una primitiva Fz de f en tal disco. Como γ es compacto,

existen finitos discos que los cubren y podemos elegir, por la continui-

dad uniforme de γ, una subdivisión a = t0 < ·· · < tn = b de I de forma

que cada subintervalo [ti, ti+1] tenga imagen bajo γ en alguno de estos

finitos discos, que notamos Bi. Notemos también Fi a la primitiva de fcorrespondiente a Bi. En particular, F0 da una primitiva de f a lo largo

de γ|[t0,t1 . Supongamos que obtuvimos una primitiva F0,i de f a lo lar-

go de γ|[t0,ti]. Como Bi y Bi+1 se intersecan en un conjunto conexo que

contiene a γ(ti), existe una constante c tal que F0,i = Fi+1 + c. Podemos

reemplazar a Fi+1 por Fi+1 + c, que sigue siendo una primitiva local de

f , y obtenemos así una primitiva de f a lo largo de γ|[t0,ti+1]. Inductiva-

mente, queda construída F una primitiva de f a lo largo de toda la curva

γ. Î

20

Figura 3: Un esquema del argumento de pegado en la demostración.

Dada una primitiva F de f a lo largo de γ, definimos la integral de fa lo largo de γ por ∫

γf dz = F(b)−F(a).

Esta definición no depende de la elección de primitiva F por la propo-

sición anterior y es consistente con nuestra definición en el caso que γ

sea suave a trozos en vista de la Proposición 3.3: es suficiente usar tal

proposición en los subintervalos [ti, ti+1] donde f admite una primitiva

Fi para obtener

F(b)−F(a)=n−1∑i=0

(F(ti+1)−F(ti))

=n−1∑i=0

∫γ|[ti ,ti+1]

f dz

=∫γ

f dz.

Ejercicio 5.1. Probar que si γ es un lazo que no pasa por el origen, la

integral 12πi

∫γ

dzz es un entero. Sugerencia: dos ramas del logaritmo difieren

21

en un múltiplo entero de 2πi.

II. Homotopías

Fijemos ahora I = [0,1] el intervalo unidad y dos caminos γ0 y γ1 :

I −→Ω y consideremos los casos en que

(a) tienen el mismo punto inicial y el mismo punto final ó,

(b) ambos son caminos cerrados.

Una homotopía de γ0 a γ1 es una función continua H : I × I −→ Ω que

cumple que

H(s,0)= γ0(s) para s ∈ I,

H(s,1)= γ1(s) para s ∈ I,

t 7−→ H(0, t) y t 7−→ H(1, t) son caminos constantes en el caso (a) o

que,

s 7−→ H(s, t) es un lazo para cada t ∈ I en el caso (b).

En el caso (a) decimos que γ0 y γ1 son homotópicos por extremos fi-jos en Ω y en el caso (b) que son homotópicos como lazos en Ω, y

en ambos casos notamos γ0 ' γ1. Es útil pensar a una homotopía como

una familia continua de caminos γt(s) = H(s, t) que comienza en γ0(t) y

termina en γ1(t). La Figura 4 ilustra una homotopía en el primero de los

dos casos. El lector está invitado a hacer lo mismo en el segundo caso.

Teorema 5.2. (Invarianza homotópica) Si γ0 y γ1 son caminos homotó-picos en Ω, entonces ∫

γ0

f dz =∫γ1

f dz.

Fijamos una función continua H : I × I −→Ω. Para demostrar el teo-

rema anterior usamos nuevamente la noción de primitivas a lo largo de

una función continua: una primitiva de f a lo largo de H es una fun-

ción F : I × I −→Ω que cumple la siguiente condición: para cada (s, t) ∈ I

22

Figura 4: Una homotopía con extremos fijos entre γ0 y γ1.

existe un entorno abierto U de H(s, t) y una primitiva G de f en U tal

que G H = F en un entorno de (s, t).

Proposición 5.3. La función f admite primitivas a lo largo de H, y dosde ellas difieren en una constante.

Demostración. El argumento es similar al que ya hicimos para un ca-

mino, pero ahora subdividimos al cuadrado I × I en cuadrados mas pe-

queños donde f admite primitivas locales, y luego, muy cuidadosamente,

pegamos las primitivas para obtener una global.

Para cada punto de la imagen H(I×I) existe un disco que lo contiene,

y en el que f admite una primitiva. La compacidad de I × I y la conti-

nuidad de H aseguran que existen finitos de estos discos que cubren a

H(I× I) y, por la continuidad uniforme de H en I× I, podemos subdividir

a I × I en finitos rectángulos Ri j de forma que H(Ri j) está contenido en

alguna de éstas finitos discos, que notamos Bi j. A las respectivas pri-

mitivas locales en esos discos las notamos Fi j, y asumimos que los Ri j

están etiquetados de forma que se ubican en I×I como lo ilustra la figura

siguiente en el caso que haya 9 de ellos.

23

R11

R12

R13

R21

R22

R23

R31

R32

R33

La función F11 ciertamente es una primitiva de f a lo largo de H|R11 ,

y B11 se interseca con B12 en un conjunto conexo no vacío, asi F12 difiere

de F11 en una constante. Esto permite definir una primitiva de f a lo lar-

go de H sobre R11∪R12. Inductivamente, podemos definir una primitiva

de f a lo largo de la primera columna de rectángulos C1 = R11∪·· ·∪R1n,

obteniendo una función que notamos F1.

Hacemos ahora lo mismo para cada una de las finitas columnas para

obtener funciones Fi que son primitivas de f a lo largo de la restricción

de H a esa columna Ci de rectángulos. Podemos ahora repetir la misma

idea para pegar a éstas primitivas: la columna de rectángulos C1 se corta

con la columna C2 en un conjunto conexo no vacío, asi F1 y F2 difieren

de una constante. Inductivamente, modificamos las restantes primitivas

para obtener la primitiva deseada, definida en todo I × I. Î

Notemos que esto generaliza lo que ya hicimos para caminos: si Hes una homotopía entre dos caminos γ0 y γ1 y si F es una primitiva de

f a lo largo de H, entonces para cada s ∈ I la función t 7−→ F(s, t) es

una primitiva de f a lo largo de t 7→ γt(s), y para cada t ∈ I la función

s 7−→ F(s, t) es una primitiva de f a lo largo de s 7→ γt(s).

Las Figuras 5 y 6 ilustran el proceso de pegado inductivo que dimos

en el teorema. Podemos dar ahora la

Demostración de la invarianza homotópica de la integral. Dada una ho-

motopía H : I × I −→Ω de γ0 a γ1, sea F : I × I −→Ω una primitiva de fa lo largo de H. Como H(s,0)= γ0(s) y H(s,1)= γ1(s), F(s,0) y F(s,1) son

24

R11

R12

R13

R21

R22

R23

R31

R32

R33

R11

R12

R13

R21

R22

R23

R31

R32

R33

Figura 5: El primer paso, donde obtenemos primitivas en las columnas.

primitivas a lo largo de γ0 y γ1 de f , respectivamente, resulta que∫γ0

f dz = F(1,0)−F(0,0),∫γ1

f dz = F(1,1)−F(0,1).

En el caso (a), como H(0, t) y H(1, t) son constantes para t ∈ I, lo mismo

vale para F, y deducimos que F(1,0) = F(1,1) y que F(0,0) = F(0,1). En

el caso (b), sea H(0, t)= H(1, t) := δ(t). Entonces tanto F(0, t) como F(1, t)son una primitivas de f lo largo de δ y luego∫

δf dz = F(0,1)−F(0,0)= F(1,1)−F(1,0),

que completa la demostración del teorema. Î

Ejercicio 5.2. Probar que todo camino continuo en Ω, no necesariamen-

te suave a trozos, es homotópico a un camino suave a trozos en Ω.

El ejercicio anterior nos permite definir, de forma indirecta, la inte-

gral de f ∈C (Ω) sobre caminos continuos arbitrarios y, en vista del teo-

rema anterior, esta definición es compatible con la usual para caminos

suaves.

Un lazo en Ω se dice nulhomotópico en Ω si es homotópico a un

camino constante en Ω. Decimos que Ω es simplemente conexo si to-

do lazo en Ω es nulhomotópico. La siguiente proposición afirma que las

funciones holomorfás “no ven” a los caminos nulhomotópicos.

25

C1 C2 C3 C1 C2 C3

Figura 6: El segundo paso, donde pegamos las primitivas obtenidas encada columna a una en todo el cuadrado.

Corolario 5.4. La integral de toda función holomorfa sobre un lazo nul-homotópico es nula.

Demostración. En efecto, la integral de una función sobre un camino

constante es evidentemente nula y, por el Teorema 5.2, lo mismo es cierto

para todo camino homotópico a éste. Î

Otra forma de enunciar lo anterior es la siguiente.

Corolario 5.5. Si existe una función holomorfa que tiene integral nonula sobre un lazo, este camino no es nulhomotópico.

Un lazo γ en Ω que asigna integral nula a toda función holomorfa so-

bre Ω se dice nulhomólogo. Resulta así que todo lazo nulhomotópico es

nulhomólogo. Sin embargo, existen lazos en regiones de C que son nulho-

mólogos pero no nulhomotópicos, aunque no tenemos las herramientas

disponibles para probar este fenómeno.

6. Homología de regiones en C

Esta sección es opcional, y el lector puede omitirla si así lo desea.

Fijemos una región Ω en C. Diremos que Ω es homológicamentesimplemente conexa si todo lazo en Ω es nulhomólogo. El párrafo de

26

la última seccion afirma que Ω es homológicamente simplemente conexa

siempre que es simplemente conexa.

Notemos por O ′(Ω) al conjunto de funciones holomorfas en Ω que

admiten una primitiva. Este conjunto es un subespacio vectorial del C-

espacio vectorial O (C) por lo que tiene sentido formar el cociente

H(Ω)=O (Ω)/O ′(Ω),

que llamamos el primer grupo de cohomología de Ω. Escribimos [ f ] a

la clase de una función holomorfa en ese cociente. Por construcción H(Ω)

es cero precisamente cuando toda función holomorfa en Ω admite una

primitiva. Veamos un ejemplo donde esto no es cierto, que, de hecho, ya

conocemos.

Proposición 6.1. El C-espacio vectorial H(C×) tiene dimensión 1, y estágenerado por la clase de la función holomorfa ι(z)= (2πiz)−1.

Demostración. Consideremos la funcion C-lineal I : H(C×) −→C que, so-

bre los elementos base, es tal que

I([ f ])=∫∂B1(0)

f dz.

Esto está bien definido: si f admite una primitiva en C×, su integral

sobre cualquier lazo en C× es nula. Además, esta función es sobreyectiva,

pues I([ι])= 1 6= 0.

Veamos que es inyectiva. Para esto, es suficiente que verifiquemos

que si una función holomorfa cumple que∫∂B1(0) f dz = 0, entonces ad-

mite una primitiva en C×. Esta condición implica que f tiene integral

nula sobre el borde de todo lazo rectangular en C×, pues cualquier ca-

mino de esta forma es homotópico en C× al borde de un disco: esto es

una verificación simple.

Elijamos para todo z ∈ C× un camino Rz de 1 a z que consiste de ca-

minos rectos que no pasan por el origen, paralelos a los ejes coordenados,

como ilustra la figura, y pongamos

27

x

y

1

z0z1 z2

z3 z4

Figura 7: La definición del camino R en el caso que z esá en el semiplanosuperior nonegativo.

F(z)=∫

Rz

f (ξ)dξ.

Fijemos ahora z en C. Por la forma en que elejimos Rz, y como ftiene integral nula sobre cualquier rectángulo, resulta que, para cada

w ∈ C, la diferencia F(z)− F(w) puede reemplazarse siempre por una

integral∫γ f (ξ)dξ donde γ es un camino poligonal de z a w. Más aún, si

tomamos w suficientemente próximo a z, podemos asumir que tal camino

es el segmento recto [z,w]. Podemos imitar ahora la demostración del

Teorema 4.4 para probar que F ′(z)= f (z), que prueba que I es inyectiva.

Para ver que [i] genera a H(C×), tomemos [ f ] en tal conjunto, y sea

λ= I([ f ]). Entonces f −λι tiene integral nula sobre ∂B1(0) y luego, por lo

anterior,

0= [ f −λι]= [ f ]−λ[ι],

que prueba que [ f ]=λ[ι] y completa la demostración. Î

Ejercicio 6.1. Probar que si h : Ω1 −→ Ω2 es una función holomorfa

entre regiones de C, define una función h∗ : H(Ω2) −→ H(Ω1) tal que

[ f ] 7−→ [( f h)h′]. Pruebe, además, que si h es biholomorfa, h∗ es un iso-

morfismo de espacios vectoriales. Sugerencia: use la regla de la cadena para

probar que si f admite una primitiva, lo mismo es cierto para h∗( f )= ( f h)h′.

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Referencias[1] Reinhold Remmert, Theory of Complex Functions, Graduate Texts in Mathematics,

vol. 122, Springer Science+Media, LLC, 1991.

[2] Henri Cartan, Elementary theory of analytic functions of one or several complexvariables, Adiwes International Series in Mathematics, Addison-Wesley PublishingCompany, Inc., 1963.

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